電動(dòng)汽車(chē)和充電樁設計提出哪些新的光耦驅動(dòng)需求？

內部存在電池管理、空調和牽引逆變器等各種子系統，工作條件不一，對功率器件及其驅動(dòng)要求不盡相同。同時(shí)，有交/直流之分，充電功率/速度也不相同。這些不同的子系統和電源系統都會(huì )廣泛使用光耦器，來(lái)進(jìn)行隔離通信、驅動(dòng)以及反饋。光耦在傳統的工業(yè)應用中已非常成熟，那么在電動(dòng)汽車(chē)/充電樁這些新興應用當中，又有怎樣的發(fā)展趨勢和新的性能需求呢?

日前，在由Aspencore旗下《EDN電子技術(shù)設計》、《EET電子工程專(zhuān)輯》和《ESM國際電子商情》共同舉辦的Tech Shanghai設計論壇上，博通公司(Broadcom)隔離產(chǎn)品事業(yè)部(前Avago光耦事業(yè)部)產(chǎn)品經(jīng)理陳紅雷帶來(lái)“功能全面的光耦驅動(dòng)并保護下一代功率器件”議題，從電動(dòng)汽車(chē)和充電樁兩個(gè)部分探討了光耦在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的新應用機會(huì )。(另外在該論壇上，金雅拓高級產(chǎn)品經(jīng)理朱志興和康模數爾(COMSOL)應用工程師施也分別帶來(lái)了“軟件安全授權在汽車(chē)電子行業(yè)中的應用”和“動(dòng)力電池研發(fā)中的多物理場(chǎng)仿真解決方案”的議題。)

光耦原理及分類(lèi)

陳紅雷介紹說(shuō)，光耦器件分為三大類(lèi)：數字光耦、柵極驅動(dòng)器和隔離放大器。這三類(lèi)光耦的基本功能都是提供信號隔離。數字光耦單純實(shí)現信號隔離。柵極驅動(dòng)器在此基礎上增加了電流驅動(dòng)能力，從而可對IGBT和MOSFET(包括最新的SiC和GaN)等功率器件的柵極進(jìn)行驅動(dòng)。隔離放大器用于反饋通路，將檢測到的電壓、電流等信號返回給MCU進(jìn)行處理。

光耦由LED、隔離介質(zhì)和光敏二極管三部分組成，構成發(fā)光、傳輸和感光三個(gè)環(huán)節。光耦原理簡(jiǎn)單，但按照爬電距離、電氣間隙和隔離電壓等安規條件劃分卻是分門(mén)別類(lèi)。

光耦的應用非常廣泛，尤其是在電力電子領(lǐng)域。電動(dòng)汽車(chē)和充電樁等新興產(chǎn)業(yè)，為光耦也帶來(lái)不小的機會(huì )。

陳紅雷在會(huì )后向筆者透露，汽車(chē)電子中一個(gè)趨勢是把電子部分和輪轂集成在一起，通過(guò)CAN總線(xiàn)或電力線(xiàn)實(shí)現直接驅動(dòng)，這樣可以避免物理傳動(dòng)的損耗。這種構件通常很復雜且高成本。這樣，半導體器件需要耐高溫、耐振動(dòng)。對于光耦這種硅基半導體材料，還是有很大挑戰。博通一類(lèi)(Grade 1)光耦目前也只是達到125℃，因此對于高轉動(dòng)(也就高溫)電機的驅動(dòng)，需要采用冷卻。

博通也在考慮未來(lái)是否可能將耐高溫材料，比如GaN、SiC等，應用到柵極驅動(dòng)、電流檢測等光耦器件中。另外，發(fā)光二極管本身也需要有技術(shù)突破，能夠耐高溫。比如對于光衰特性，其光耦器件都經(jīng)過(guò)了嚴格的挑選，設計也考慮了足夠的裕量。然而，整個(gè)系統溫度進(jìn)一步的上升，對光耦中的LED還是會(huì )有新的挑戰。博通也在努力解決中。

電動(dòng)汽車(chē)IGBT需要怎樣的光耦?

如下圖所示，在電動(dòng)汽車(chē)中，牽引逆變器、CAN總線(xiàn)接口、信號傳感、暖通空調(HVAC)和電源管理系統等等部分都會(huì )廣泛用到光耦器。(右邊可以找到相應料號，這些都是Broadcom多年來(lái)，根據客戶(hù)需求所列出。)

陳紅雷表示，電動(dòng)汽車(chē)中電池管理、空調系統、牽引逆變器等不同子系統的要求不一樣，比如空調的工作溫度不太高;而牽引逆變器由于在發(fā)動(dòng)機里，耐受溫度需要比較高;電池管理在后端，溫度也不會(huì )太高。因此，像DC/DC充電器一般采用MOSFET作為功率器件，也就采用MOSFET驅動(dòng)。另外其工作溫度也不一樣，功率容量/驅動(dòng)電流通常也不太大。而牽引逆變器要求功率大，要有保護和反饋等功能，因此驅動(dòng)就不同。另外，電池管理總線(xiàn)上做電流監控即可，而牽引逆變器就會(huì )復雜一些。

下圖是針對車(chē)載充電器、DC-DC轉換器和逆變器的柵極驅動(dòng)器型號選擇。“ACPL-32JT是市場(chǎng)接受度比較高的一款產(chǎn)品。另外還有ACPL-33JT。ACPL-3540JT是帶發(fā)射極電流檢測的產(chǎn)品。” 陳紅雷介紹。

下圖是采用ACPL-32JT的IGBT模塊，其中集成了6個(gè)通路的IGBT。這個(gè)開(kāi)發(fā)板非常小巧。

ACFJ-3540T是應對汽車(chē)當中IGBT等功率器件演變而開(kāi)發(fā)的新器件。某些新IGBT器件在發(fā)射極設置了電流分支——與射極電流成比例，用于IGBT電流檢測。針對這種新的器件，Broadcom開(kāi)發(fā)了ACFJ-3540T柵極驅動(dòng)器，能夠驅動(dòng)IGBT柵極并有效監測電流情況。

隔離放大器用于檢測信號并進(jìn)行反饋。Broadcom最新器件是ACPL-C799T和ACPL-C797T這兩款產(chǎn)品，能夠適用于大電流驅動(dòng)的市場(chǎng)需求。目前市場(chǎng)上也是出現精密電阻的需求，需要做阻值小、功率高的設計。而ACPL-C799T可以做成很小的模塊式產(chǎn)品，能夠直接連接在精密電阻的銅排上;對電流進(jìn)行采樣，并連接到數字濾波器。

數字光耦相對比較簡(jiǎn)單，應用廣泛;將數字信號從原邊傳到副邊。下圖是其選擇，按照輸入來(lái)劃分，有100kBd、100kBd-1MBd和1MBd-15MBd。另外是從工作電壓來(lái)劃分;汽車(chē)應用相對工業(yè)應用來(lái)說(shuō)工作電壓較低。

交/直流充電樁利弊對比及驅動(dòng)要求

在充電樁部分，從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，即是要把工廠(chǎng)生產(chǎn)的電能傳輸到用戶(hù)汽車(chē)中儲存并使用。充電樁可簡(jiǎn)單劃分為交流充電和直流充電兩種。交流充電是通過(guò)車(chē)載充電器，將交流變?yōu)橹绷?，?lái)給汽車(chē)充電。這種充電方式有車(chē)載充電器體積限制和充電功率有限(充電時(shí)間長(cháng))這兩個(gè)缺點(diǎn)。直流充電則是直接用直流對電池充電，它通常以固定形式出現，因此允許大功率的快速充電。

“充電樁有交流直流之分，對應汽車(chē)則有交流充和直流充之分，各有利弊。交流充電利用車(chē)載AC/DC轉換器將交流轉換成直流，給電池充電。直流充電則一般是大功率充電，在車(chē)體外有固定的充電器，功率較大、充電效率較高、充電較快。超級充電站則不外乎是更大的功率，可縮短充電時(shí)間。電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展一來(lái)是要延伸續航里程，二來(lái)是要優(yōu)化充電站距離。

“另外，不管是交流充電還是直流充電，電池所能接收的都是直流電。交流充電需要汽車(chē)具有車(chē)載充電器，一來(lái)體積/功率容量受限制(充電時(shí)間長(cháng))，二來(lái)必須滿(mǎn)足車(chē)規要求。而直流充電功率就可以非常大(轉換在外部)，充電時(shí)間可以大大縮短。但是，其缺點(diǎn)是充電器不能隨車(chē)一起跑，只能到有充電樁的地方去充電，而不能隨時(shí)插到電網(wǎng)上去充電。”陳紅雷指出。

對于直流充電，業(yè)界已經(jīng)有一級和二級方案，同時(shí)也在研究三級方案，將汽車(chē)電池在5-10分鐘內充到80%電量甚至充滿(mǎn)。這樣就能使電動(dòng)汽車(chē)能夠有足夠的里程覆蓋率，而進(jìn)一步推廣。

據HIS研究機構估計，到2020年，電動(dòng)汽車(chē)充電站將會(huì )有超過(guò)1200萬(wàn)座。

直流快速充電站包括交流輸入、功率因數校正(FPC)電感、DC/DC轉換(包括電池對接)等環(huán)節。電能轉換和傳輸過(guò)程當中，需要對晶體管的柵極進(jìn)行電流檢測和電壓檢測并進(jìn)行信號通信等等。這些就是光耦的潛在應用。下圖右邊是光耦選型詳細列表。

ACPL-352J是面向電動(dòng)汽車(chē)充電站的較新光耦，適用于IGBT/MOSFET等電壓驅動(dòng)型器件(電流性負載——需要對柵極進(jìn)行電流充電，到一定電壓時(shí)才會(huì )導通)。

除了驅動(dòng)IGBT柵極外，ACPL-352J還能實(shí)現IGBT柵極檢測，因此可對汽車(chē)功能安全提供有效信息。

對于SiC MOSFET/GaN器件，它們的驅動(dòng)特性不同，比如工作電壓、開(kāi)關(guān)速度等等不一樣。同時(shí)，對于這些新的功率器件，Broadcom也開(kāi)發(fā)出了針對性的參考設計。

這些年來(lái)，Broadcom/Avago的光耦器件也在持續不斷的演進(jìn)當中(包括驅動(dòng)電流、驅動(dòng)速度和信號延遲等方面都在不斷改進(jìn)，以及功能安全等新功能的增加)。

ASSR-601J可用于汽車(chē)電池或充電樁的漏電檢測，相當于固態(tài)繼電器的特性，但可以耐高壓，因此相對于傳統繼電器可以提供更高的可靠性。

對于上述各種光耦，Broadcom都提供了相應的開(kāi)發(fā)板。

另外，陳紅雷告訴筆者，GaN、SiC等新功率器件的優(yōu)點(diǎn)是，可容許更高的開(kāi)關(guān)頻率，結溫耐受高。因此對應于光耦器件的要求，即工作頻率要快，驅動(dòng)電流要大。另外，它們之間的工作電壓和保護特性(如欠壓鎖定、退飽和)等也不一樣。因此需要選擇不同的光耦器件來(lái)驅動(dòng)。

光耦中的挑戰，一是高集成度(通道數;受絕緣要求限制)，二是LED上的突破(開(kāi)發(fā)活化層在下、向下發(fā)光的LED，從而減小體積)。

最后，他強調，相對微型變壓器或電容來(lái)說(shuō)，光耦雖然隨壽命有光衰，但在做設計時(shí)都留有了裕量(有幾十年使用壽命)，這個(gè)問(wèn)題完全不用擔心。